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浅谈3D打印技术的应用现状及发展前景

  一个快速成型技术的一种新型行业――3D打印,逐渐吸引了人们的眼球,成为国内外学者研究的重点。它以无缝制造、快速成型,并且适用于制造各种各样复杂结构产品的优势区别于传统的生产加工方式。同时,3D打印也是集计算机科学、材料科学、机械加工技术以及扫描等科学领域的知识于一体的综合性技术,是现代化社会综合发展的一项重要标志。


  一、3D打印技术的特点及原理

  3D打印技术与传统打印机的不同之处在于:第一,它不像传统打印机一样以水墨为材料,而是以粉末状或丝状塑料以及玻璃、面粉和尼龙等物质为打印材料的。第二,3D打印机之所以成为“3D”,是因为其成果不再局限于文本形式,而是能够将与之相连的计算机内虚拟的三维图形转化成具体的实物。因此,3D打印是属于增材制造与快速成型的一种高科技技术。其主要优势包括:可以随时进行生产,尤其是当零件批量较小的情况下,避免了由生产线频繁启动而造成的成本浪费;由3D打印技术的原理决定了其在制造过程中不受产品结构的制约,可以制造出结构极其复杂的实物,这是传统的机械加工方法很难实现的;与传统的减材制造方法相比,增材制造减少了材料的浪费,从而有效降低了加工成本。

  3D打印技术的基本原理主要分为三个步骤:首先要在计算机内设计出要打印的物体的三维电子模型,包括其形状和各个尺寸等,这个步骤可以通过现有的一些画图软件来实现,比如CAD、3Dmax等。其次,在与计算机连接的前提下,3D打印机会将建立好的三维图形信息进行层层分割,分割的密度与打印机以及材料有关。最后,根据分割之后的每层平面的信息,3D打印机自动确定打印路径并逐层打印,直到最终成型。其中打印的方式根据机器种类的不同,可以是通过高温或激光灯手段将材料熔化,再一层一层的堆积成型;也可以利用胶水将材料层层粘合。

  二、3D打印技术的应用现状

  近年来,随着3D打印技术的不断完善,3D打印机应用在越来越多的领域,包括机械制造领域、生物医疗领域、建筑行业、考古领域、食品行业等。

  1.机械制造领域。随着全球化的到来,产品的需求越来越多样化,这就促使了多品种小批量、甚至单件生产的制造方式的转变。3D打印技术能够打印复杂结构零件、启动成本较低的优势为单件生产方式的发展带来了机遇。

  2.生物医疗领域。近年来已经有一些国家利用3D打印技术制作出了没有任何排斥作用的器官,此外,骨骼打印以及牙齿的打印也都相继实现,为医学的进步作出了一定的贡献。

  3.建筑行业。目前,3D打印技术在建筑行业的应用主要是用来制造模型。建筑设计师能够将其设计的建筑模型通过3D打印机一次性的完美的呈现出来,并完成相应的功能评价,与其他制造模型的方法相比,具有速度较快,制作成本较低的优点。除此之外,3D打印技术还能制造出直接供人居住的房屋。

  4.考古领域。当某些古文物受到损坏,比如出现缺口或者裂缝时,可以通过3D打印技术对其进行检测和修复。

  5.食品行业。目前,市场上已经存在3D打印机打印简单食物的应用,例如煎饼等食品。这种技术不仅可以减少人工的体力劳动量,而且打印出的实物外观更加精细,与普通做法的味道也几乎没有差别。


  三、3D打印技术的发展前景

  随着社会的发展和科学技术的进步,3D打印也会受到越来越多的人的重视,其技术水平也会不断提高,功能不断完善,其发展前景主要包括以下几个方面:

  1.打印材料的多样化

  材料是打印产品的基础,3D打印的发展必须有相应性能的使用材料为前提条件。据统计,目前此项技术在制造业中所占的份额还非常少,其中的一个重要原因就是由于打印材料种类的局限性。[5]因此,未来3D打印的材料一定会向着多样化的趋势发展,新型材料的研发能够使得打印机能够适用于更多产品的生产和制造。

  2.打印技术的创新

  如果说材料的多样化是3D打印发展的基础,那么技术的创新和提高则是3D打印发展的关键。这主要体现在打印出产品的精度、打印速度、打印产品的种类及其智能化水平等方面。

  3.应用范围的扩展

  目前,虽然3D打印在很多领域都已经得到应用,但其使用并不普遍也不成熟,例如只有极少数种类的食品的制作应用到了3D打印技术;在建筑、医学等领域其应用也具有很大的局限性;还有一些行业由于各种原因并未涉足此项技术的应用。因此,随着科学技术的飞速发展,未来的3D打印将普遍应用于各行各业,为更多的领域发挥其巨大的作用。

  4.打印机价格的控制

  虽然与传统方式相比,3D打印节省了材料,缩短了生产时间,从而在一定程度上降低了加工产品的成本。但是现阶段3D打印机本身的价格还是比较昂贵的,尤其是功能强大、精度要求较高的打印机,这对一些规模较小的企业来说是非常困难的。因此,随着技术和材料的不断完善,3D打印机本身的制作成本将会降低,使得设备不再是技术应用的难题。

  四、结论

  3D打印技术克服了长期以来传统生产方式的局限性,将是我国乃至全世界技术史上又一伟大飞跃,它为人们的生产生活以及社会的发展带来了新的机遇。同时,由于其还处于新兴和起步阶段,各方面还不是很成熟,因此,政府从政策和经济上也在加大推动3D打印发展的力度,鼓励人们去积极的探索,争取早日为人类文明作出贡献。

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